基于金纳米双锥吸收体的1.3 μm调Q锁模激光实验

韩李雪松，褚召政，李唐萌，刘 杰

(山东师范大学 物理与电子科学学院，山东 济南 250014)

基于金纳米双锥吸收体的1.3μm调Q锁模激光实验

韩李雪松，褚召政，李唐萌，刘 杰

(山东师范大学 物理与电子科学学院，山东 济南250014)

利用种子介导生长法制备了金纳米双锥可饱和吸收体，并且用于1.3μm调Q锁模激光器. 采用五镜折叠腔设计，实现了LD泵浦1.3μm调Q锁模脉冲激光运转，在泵浦功率为5.162W时，调Q锁模的平均输出功率为368mW，调Q包络脉冲宽度为1770ns，对应包络内锁模脉冲重复频率为75.4MHz.

固体激光器；1.3μm调Q锁模；金纳米双锥可饱和吸收体；Nd∶GdVO4晶体

1.3μm波段脉冲激光与石英光纤的低色散、低损耗波长一致，在辐射、信息存储、激光彩色显示、激光医疗、光通讯、大气污染监测等方面有广泛的应用价值[1-3].LD泵浦被动调Q锁模技术是实现1.3μm脉冲激光输出的重要手段，饱和吸收体是其中的重要调制器件. 近年来，二维材料[4-9]的出现为1.3μm波段脉冲激光的研究提供了新的研究机遇. 基于纳米材料可饱和吸收体的脉冲激光研究是该领域的热点之一，许阳等基于金纳米棒可饱和吸收体在1.56μm，1062nm，1064nm实现被动调Q激光输出[10-11]，张华年等基于金纳米双锥可饱和吸收体在1.1μm波段与1423.4nm波长处分别实现被动调Q激光运转[12-13]. 上述实验均表明：金纳米材料在获得超快脉冲激光方面有较大潜力，纳米材料因其具有尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，与其他材料相比呈现出许多独特的物理化学特性[14-16].

本文通过控制金纳米双锥可饱和吸收体的长径比，将金纳米双锥可饱和吸收体的纵向表面等离子共振峰(SPR)控制在1265nm附近，成功制备了用于1.3μm波段的金纳米双锥可饱和吸收体，并将该吸收体用于LD泵浦Nd∶GdVO4晶体的1.3μm波段调Q锁模脉冲激光器中，实现了1.3μm的脉冲激光稳定运转. 研究结果表明：金纳米双锥可饱和吸收体在锁模脉冲方面具有一定的应用发展潜力.

1 金纳米双锥可饱和吸收体的制备和特性

实验中用到的金纳米双锥可饱和吸收体由种子介导生长法制备. 金种子溶液的制备：将50μL质量分数为1%的四氯金酸和74μL质量分数为1%的柠檬酸钠加入到9.875mL的超纯水中，快速搅拌1min. 加入冰的150μL0.01mol/L硼氢化钠，再继续搅拌1min并且静置，得到金种子溶液. 生长溶液的制备：将28.5mL0.01mol/L十六烷基三丁基溴化铵、1.2mL0.01mol/L四氯金酸、60μL0.01mol/L硝酸银、400μL0.1mol/L抗坏血酸在烧瓶中融化. 将30μL种子溶液注入生长溶液中形成混合溶液，混合溶液以6 000r/min离心10min后，将其放置在65 ℃的烘箱中10h. 当金纳米双锥在溶液中长期稳定分布则制成金纳米双锥溶液，将金纳米双锥溶液均匀旋涂到平板基质上，在室温下缓慢晾干最终形成金纳米双锥可饱和吸收体.

图1显示的是金纳米双锥可饱和吸收体的透射电子显微镜图(TEM). 图2为金纳米双锥稳定分布的溶液. 图3为实验制备的金纳米双锥可饱和吸收体的纵向表面等离子吸收光谱，金纳米双锥可饱和吸收体的纵向表面等离子吸收峰在1 265nm附近且在1.3μm波长处，仍处于较高吸收水平，所以基于金纳米双锥可饱和吸收体在1.3μm波段处进行调Q锁模操作是可行的. 利用自己搭建的Nd∶YVO4皮秒锁模脉冲激光器(中心波长为1 342nm，脉冲宽度为18ps，重复频率为75.68MHz)测量了材料的非线性饱和吸收特性.

图1 金纳米双锥颗粒的透射电子显微镜图

图2 金纳米双锥溶液

图3 纵向表面等离子体吸收光谱

图4给出了金纳米双锥可饱和吸收体的透射系数与入射光强度的关系，由图4可以看出当激光功率达到750mW/cm2时，透射系数达到89%左右，且继续增加照射光强度，透射系数基本不变，这是材料对于激光的吸收达到饱和引起的，由此可以计算出制备的金纳米双锥材料调制深度约为10%.

本实验制备的金纳米双锥可饱和吸收体，表现出2个表面等离子体共振峰，与横向的表面等离子体共振峰相比，纵向表面等离子体共振峰可通过长径比进行调节，在结构上沿着五角形的基底向两端延伸出2个尖锐的顶点，相比于两端较为光滑的金纳米棒，金纳米双锥会产生更强的局域表面等离子共振电磁场[17]. 研究结果表明，通过改变金纳米双锥的长径比可实现其局域表面等离子共振(LSPR)的可调谐性，所以金纳米双锥可应用于不同波段实现调Q或锁模脉冲激光运转.

图4 金纳米双锥饱和吸收体的非线性透射系数随入射光强的变化

2 实验装置

根据ABCD定理，设计了五镜折叠激光谐振腔(如图5所示)，实现LD泵浦Nd∶GdVO4晶体1.3μm波段调Q锁模激光运转.

图5 调Q锁模Nd∶GdVO4激光实验装置图

泵浦源为光纤耦合输出的半导体激光器，工作中心波长808nm，最大输出功率30W, 光纤芯径400μm, 数值孔径0.22. 通过1∶0.8的聚焦耦合透镜系统，将泵浦光耦合进入激光晶体中. 实验所用晶体为Nd∶GdVO4晶体,Nd3+原子数分数为0.5%,尺寸为3mm×3mm×7mm(7mm为通光方向长度). 将晶体用铟箔包裹并置于铜制水冷热沉中，通过循环水将晶体温度控制在12 ℃，以驱除实验过程中晶体上产生的热. 输入镜M1为平镜，前表面镀有808nm高透膜(T>85%)，后表面镀有1 342nm高反膜(R>99.8%). 折叠镜M2，M3和M4均为凹面镜，曲率半径分别为200nm，800nm和500nm,均镀有1 342nm高反射膜. 输出镜M5为镀有对1 342nm透过率为4%的平面镜. 激光腔长的各段长度分别为d1=85mm,d2=465mm,d3=1 170mm,d4=262mm,总的腔长为1.982m. 输入镜M1紧贴晶体，输出镜M5紧贴金纳米双锥饱和吸收体. 采用ABCD矩阵计算可得输出镜位置的激光光斑直径约为85μm.

3 实验方法和结果分析

实验首先研究了Nd∶GdVO4的连续激光特性(不放置金纳米双锥可饱和吸收体)，在连续激光的实验中输出功率随晶体吸收泵浦功率变化曲线如图6所示. 晶体吸收泵浦功率在0.914～6.16W范围内变化时，输出功率随吸收泵浦功率增加而增加，当吸收泵浦功率为6.16W时得到最大连续光输出功率884mW，对应的斜效率为17.13%。

图6 调Q锁模输出功率和激光连续输出功率随泵浦功率的变化曲线

随后进行调Q锁模实验，将金纳米双锥可饱和吸收体放入五镜折叠腔内，紧贴输出镜(此处光斑最小，对应最高的激光功率密度)调节至最佳位置，实现了调Q锁模脉冲激光输出. 图6也给出了调Q锁模激光平均输出功率与泵浦功率的关系曲线，注入的泵浦功率为1.39 ～5.162W时，测量了调Q脉冲激光输出的平均功率[激光功率计采用以色列OPHTR(30A-SH-V1)]，输出功率从5mW增至368mW，对应的斜效率为10.07%. 注入功率为5.162W时获得最大平均输出功率368mW.

使用Tektronix公司生产的带宽为1GHz的数字示波器(TektronixDPO4054,USA)和上升时间为175ps的快速光电探测器(EOTET-3000)测量脉冲激光调Q包络的脉冲宽度和锁模脉冲的重复频率. 图7为扫描速率分别为1μs/div和20ns/div时，在注入功率为5.162W下，示波器分别显示的调Q锁模的Q包络和包络展开后的锁模波形. 从图7中可以看出，此时的调Q包络脉冲宽度为1 770ns. 调Q包络下锁模脉冲重复频率为75.4MHz，与谐振腔长度计算值吻合.

图7 泵浦功率为5.162 W时调Q锁模脉冲示波器波形图

在注入功率超出5.162W时，调Q锁模脉冲开始不稳定，继续增加泵浦功率调Q锁模脉消失，主要原因可能是饱和吸收体不够成熟，抗损伤阈值较低，有望在以后的实验中进一步优化改进，结合谐振腔的优化设计，连续波锁模激光的稳定运转值得期待.

4 结 论

通过控制金纳米双锥的SPR峰成功制备了1.3μm波段的可饱和吸收体. 采用五镜折叠腔设计，将金纳米双锥(Au-NBPs)作为可饱和吸收体，实现了激光二极管抽运Nd∶GdVO4晶体的1.3μm波段被动调Q锁模脉冲激光运转，当注入功率为5.162W时，调Q锁模的平均输出功率为368mW，调Q包络内锁模脉冲重复频率75.4MHz. 金纳米双锥作为新型可饱和吸收体用来获得1.3μm波段全固态脉冲激光的可行性得到了有效验证.

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1.3μmQ-switchedmode-lockedlaserbasedongoldnano-bipyramidsassaturableabsorbers

HAN Li-xue-song, CHU Zhao-zheng, LI Tang-meng, LIU Jie

(School of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China)

Gold nano-bipyramids (Au-NBPs) were synthesized by seed-mediated growth method. Five-mirror fold cavity was designed and demonstrated that gold nano-bipyramids could be used as saturable absorbers for LD-pumpedQ-switched mode-locked plus laser in 1.3 μm region. For a pump power of 5.162 W, the average output power was 368 mW with a minimumQ-switched envelope pulse width 1 770 ns and maximum mode-locked repetition rate 75.4 MHz.

solid-state laser; 1.3 μmQ-switched mode-locked; Au-NBPs; Nd∶GdVO4crystal

TN248.1

A

1005-4642(2017)10-0006-04

[责任编辑：任德香]

2017-05-06；修改日期2017-07-08

山东师范大学大学生创新创业训练计划项目(No.201610445178)；国家自然科学基金资助(No.61475089)

韩李雪松(1997-)，女，山东淄博人，山东师范大学物理与电子科学学院2014级本科生.

刘 杰(1963-)，女，山东济南人，山东师范大学物理与电子科学学院教授，学士，主要从事全固态激光技术和非线性光学等方面的教学和研究.